심층 분석: 인덕션 모터의 히스테리시스 코어 손실 - SMC 대 스틸 라미네이션

제가 자주 발견하는 큰 에너지 소모 요인 중 하나는 코어 손실입니다. 여기에는 히스테리시스 손실이 큰 부분을 차지합니다. 히스테리시스는 인덕션 모터가 얼마나 잘 작동하는지에 큰 타격을 줄 수 있습니다. 이 손실은 유용한 전기 에너지를 버려지는 열로 바꿔버립니다.

이 메시지에서는 이 어려운 히스테리시스 손실에 대해 제가 발견한 내용을 공유하고자 합니다. 모터 코어에 스틸 라미네이션을 사용하는 것과 같이 히스테리시스를 제거하기 위해 오래되고 의존도가 높았던 방법을 살펴볼 것입니다. 그런 다음 연자성 복합재(SMC) 소재와 같은 최신 아이디어를 살펴보겠습니다. SMC와 스틸 라미네이션 중 어떤 것이 확실한 선택일까요? 모터 레이아웃에 어떤 것이 훨씬 더 적합한지 알아볼 수 있습니다. 더 중요한 것은 이것이 에너지 절약과 훨씬 더 나은 전기 장비 구조에 왜 중요한지 알게 될 것입니다. 모터의 효율성과 이를 가능하게 하는 소재를 진정으로 이해하고자 한다면 이 짧은 글에 시간을 투자할 가치가 있습니다.

인덕션 모터의 히스테리시스 손실이란 무엇인가요?

이와 비슷하다고 생각하세요. 내부의 자성 물질은 인덕션 모터 는 자기 방향을 매우 빠르게 전환해야 합니다. 이 작업은 1초에 수없이 많이 이루어집니다. 이 빠른 전환은 고정자와 회 전자가 함께 작동하여 모터를 회전시킵니다. 하지만 자성 소재의 경우 이 전환이 완전히 매끄럽지 않거나 매우 쉽지 않습니다. 자성 소재는 이 조절을 약간 견뎌냅니다. 이 저항, 즉 '자기 마찰'은 열을 발생시킵니다. 이 열은 낭비되는 전력입니다. 우리는 이 특정 전력 낭비를 히스테리시스 손실이라고 부릅니다. 이는 모든 종류의 전기 기계에서 철 손실이라고 부르는 중요한 부분입니다.

가장 큰 요인은 이 히스테리시스 손실이었습니다. 고정자 코어의 자성 물질이 빠른 자기 변화를 따라잡을 수 없었기 때문입니다. 이 싸움, 반응 지연이 바로 "히스테리시스"입니다. 모터의 자기 구성 요소에서 발생합니다. 자속 밀도의 변화가 심할수록 히스테리시스 손실이 훨씬 더 많이 발생할 수 있습니다. 좋은 전기 모터를 만든다는 것은 이 손실을 줄일 수 있는 방법을 찾는 것을 의미합니다.

코어 손실 합계는 어떨까요? 모터에 큰 문제가 될까요?

네, 코어 손실은 모든 유형의 모터에 큰 영향을 미칩니다! 히스테리시스 손실은 방금 이야기한 것처럼 코어 손실의 한 구성 요소입니다. 또 다른 큰 구성 요소는 와전류 손실이라고 하는 것입니다. 히스테리시스와 와전류 손실을 합치면 총 코어 손실을 구성합니다. 이를 철 손실이라고도 합니다. 이 손실은 모터의 철 성분에서 발생합니다. 고정자 코어 때로는 로터도 마찬가지입니다. 우수한 전력을 회전 작업에 도움이 되지 않는 따뜻한 열로 바꿔버립니다. 따라서 코어 손실이 높은 모터는 신뢰할 수 있는 모터가 아닙니다.

일부에서는 코어 손실이 전력 파이의 큰 부분을 차지할 수 있습니다. 이는 동일한 작업을 수행하기 위해 훨씬 더 많은 전기 요금을 지불하게 된다는 것을 의미합니다. 모터 역시 이렇게 낭비되는 에너지로 인해 더 뜨거워집니다. 모터가 뜨거워지면 수명이 훨씬 짧아질 수 있습니다. 또는 더 크고 더 비싼 냉각 시스템이 필요하다는 것을 의미할 수도 있습니다. 따라서 코어 손실을 줄이는 방법을 찾는 것은 전기 기계를 만들거나 사용하는 모든 개인에게 매우 중요합니다. 특히 모터의 효율을 높이려는 목표를 가지고 있다면 더욱 그렇습니다.

자동차에 라미네이션을 사용하는 이유는 무엇일까요?

모터에서 라미네이션을 사용하는 이유는 주로 코어 손실의 구성 요소인 와전류 손실을 방지하기 위해서입니다. 모터의 고정자가 단단한 철 덩어리로 만들어졌다고 생각해보세요. 모터 내부의 전자기장이 조정될 때(모터가 작동하는 동안 지속적으로 조정됩니다), 그 단단한 철 덩어리 내부에 와전류가 생깁니다. 이것이 바로 와전류입니다. 소용돌이를 작은 전력 소용돌이라고 생각하면 됩니다. 소용돌이는 아무런 유익한 일을 하지 않습니다. 그냥 다리미 내부에서 빙글빙글 돌면서 따뜻함을 만들어낼 뿐입니다. 라미네이션은 이를 막기 위한 창의적인 기술입니다.

라미네이션은 매우 얇은 전기 강판입니다. 고정자 코어를 만들기 위해 이 얇은 시트를 여러 장 쌓아 올립니다. 가장 중요한 것은 각 라미네이션 시트 사이에 아주 작은 절연체가 있다는 것입니다. 이 단열재는 크고 비효율적인 와류의 흐름을 분리합니다. 따라서 많은 와전류 손실을 일으키는 큰 소용돌이 대신 훨씬 더 작은 소용돌이가 발생합니다. 이렇게 작은 소용돌이는 훨씬 덜 어렵고 와전류 열을 훨씬 줄여줍니다. 이는 수많은 전기 모터에서 고정자를 제작하는 매우 일반적인 방법입니다. 라미네이션의 스타일 자체가 이 방법이 얼마나 잘 작동하는지에 대한 핵심입니다.

기존 스틸 라미네이션이 인덕션 모터의 코어 손실에 어떻게 도움이 될까요?

기존 스틸 라미네이션 는 인덕션 모터의 와전류 손실을 줄이는 데 매우 효과적입니다. 특수 전기 강철의 얇은 시트를 사용하여 큰 와류가 흐르기 어렵게 만듭니다. 이는 코어 손실의 한 요소를 줄이는 데 큰 도움이 됩니다. 히스테리시스 손실 부분의 경우 적층에 사용되는 전기강의 종류가 실제로 중요합니다. 일부 강철은 작은 자기 영역이 매우 빠르게 방향을 바꿀 수 있도록 만들어졌습니다. 이는 저항이 훨씬 적다는 것을 의미하므로 히스테리시스 손실이 훨씬 적습니다.

하지만 라미네이션이 모든 코어 손실에 대한 완벽한 해결책은 아닙니다. 전기 강철 자체의 품질이 아무리 좋아도 여전히 약간의 히스테리시스 손실이 존재합니다. 또한 라미네이션이 서로 완전히 보호되지 않거나 동축 어셈블리가 손상된 경우 와전류가 유입될 경로를 찾아 문제를 일으킬 수 있습니다. 마찬가지로 라미네이션의 가장 큰 측면은 자속(자기력)이 대부분 라미네이션 시트의 평평한 평면을 따라 이동하기를 원한다는 것입니다. 이는 특히 모든 방향으로 이동하는 복잡한 자속 경로가 필요한 경우 일부 모터 레이아웃을 제한할 수 있습니다. 이러한 적층 강철 코어는 오늘날 여러 장치RIM에서 널리 사용됩니다.

연자성 복합재(SMC)란 무엇인가요? 자동차 제품의 새로운 플레이어?

이제 연자성 복합재, 즉 SMC에 대해 알아보겠습니다. 이는 모터용 자성 소재의 새로운 유형입니다. 방금 살펴본 기존의 적층 강판과는 상당히 다릅니다. SMC 소재가 수십억 개의 작은 철 입자로 구성되어 있다고 상상해 보세요. 이 작은 철 입자 하나하나에 초슬림 전기 절연층이 코팅되어 있습니다. 그 후, 이 모든 층으로 이루어진 비트는 매우 단단하게 서로 밀착됩니다. 그리고 금형에 밀어 넣고 곰팡이를 피워 모터의 고정자 코어처럼 튼튼한 모양을 만듭니다. 이 과정을 통해 좋은 밀도를 얻을 수 있습니다.

개인들은 그 가능성에 대해 매우 흥분했습니다. 각각의 작은 비트가 이웃으로부터 차폐되어 있기 때문에 SMC는 당연히 와전류를 차단하는 데 탁월합니다. 특히 모터가 고속 또는 고주파에서 작동할 때 SMC 코어에서 와전류 손실은 매우 낮을 수 있습니다. 이는 특히 기존 모터와 다른 방식으로 작동해야 하는 첨단 모터의 경우 모터 레이아웃에 새로운 문을 열어줍니다. 이러한 복합 재료는 전기 기계의 자기 부품이 만들어지는 방식을 완전히 새로운 방식으로 생각하게 합니다. SMC의 적용 범위는 점점 더 넓어지고 있습니다.

SMC 제품은 인덕션 모터에서 히스테리시스 손실을 어떻게 다른 방식으로 해결합니까?

SMC 소재는 유도 전동기의 히스테리시스 손실을 몇 가지 방식으로 관리하는데, 그 방식이 조금 다릅니다. 연자성 복합체(SMC)를 만드는 데 사용되는 철 입자는 자기적으로 "연성"이 되도록 선택됩니다. 이는 내부 자기 방향이 훨씬 더 쉽게 앞뒤로 뒤집힐 수 있음을 나타냅니다. 뒤집기가 훨씬 쉬워지면 히스테리시스 손실이 줄어듭니다. 이것이 바로 훌륭한 부분입니다. 그럼에도 불구하고 SMC를 만드는 과정에는 많은 압력과 함께 이러한 입자를 밀어내는 과정이 포함됩니다. 이러한 밀기는 종종 작은 입자에 약간의 스트레스와 불안을 더할 수 있습니다. 이러한 스트레스는 유감스럽게도 히스테리시스 손실을 약간 증가시킬 수 있습니다.

따라서 히스테리시스 손실과 관련된 경우 SMC 소재를 사용하는 것이 상충되는 경우가 많습니다. 매우 작은 비트 치수와 절연성은 총 철 손실, 특히 와전류 손실 성분을 낮추는 데 탁월합니다. 그러나 SMC 코어의 밀도는 일반적으로 강력한 전기강 적층으로 만든 코어보다 약간 낮습니다. 밀도가 낮다는 것은 자기 성능이 그만큼 강하지 않다는 것을 의미할 수 있습니다. 동일한 양의 자력을 전달하려면 더 많은 SMC 소재가 필요할 수 있습니다. 이는 히스테리시스 손실 이미지에 간접적으로 영향을 미칠 수 있습니다. 모터를 최적으로 설계하려면 이러한 요소를 안정화해야 합니다. 설계자는 일반적으로 FEA(유한 요소 분석)와 같은 컴퓨터 도구를 사용하여 이를 연구하고 자성 재료 선택을 최적화합니다.

SMC와 스틸 라미네이션: 인덕션 모터의 진정한 비교는 무엇인가요?

인덕션 모터의 SMC와 스틸 라미네이션을 직접 대조해 보면 매우 흥미로운 결과를 얻을 수 있습니다. 벽면 콘센트에서 초당 50회 또는 60회처럼 다소 낮은 주파수에서 작동하는 수많은 기본 유도 모터의 경우, 히스테리시스 손실만 확인하면 보통 오래된 전기 강철 라미네이션이 먼저 나옵니다. 라미네이션에 사용되는 특수 전기강은 이러한 속도에서 히스테리시스 손실이 매우 낮도록 극도로 정제되고 가공됩니다. 반면에 SMC는 작동 규칙성이 클 때 가장 큰 장점을 드러내는 경향이 있습니다. 고속에서 상당한 문제가 되는 와전류 손실을 크게 줄일 수 있다는 것이 그 이유입니다.

따라서 이 비교에서 가장 좋은 선택은 특정 유도 모터와 그 활용 방식에 따라 달라집니다. 몇 가지 일반적인 유도 전동기의 경우 고정자의 자기장은 라인 주파수에서 변화합니다. 이러한 상당히 낮은 속도에서는 특히 적층 강철 코어가 잘 만들어진 경우 전체 코어 손실의 히스테리시스 손실 부분이 와전류 손실보다 훨씬 더 클 수 있습니다. 이러한 경우 연자성 복합 재료는 실제로 약간 더 높은 히스테리시스 손실을 보일 수 있습니다. 하지만 일부 특수 유도 모터 설계나 매우 빠르게 회전해야 하는 전기 모터의 경우 SMC가 승자가 될 수 있습니다. 종종 기술 논문에서는 이러한 방식으로 특정 제조업체에 대한 종합적인 비교 평가를 제공합니다.

SMC가 모터에서 적층강보다 코어 손실을 더 줄일 수 있을까요?

모두가 궁금해하는 질문입니다. SMC 소재가 모터에서 적층강보다 전체 코어 손실을 최소화할 수 있을까요? 정답은 "상황에 따라 다르다"입니다. 연자성 복합재(SMC)는 와전류 손실을 줄이는 데 확실히 탁월합니다. 모터 레이아웃이 와전류 손실이 문제를 일으키는 주요 원인인 경우 SMC 코어를 사용하면 총 코어 손실이 훨씬 낮아질 수 있습니다. 고속 전기 모터 또는 매우 복잡한 3차원(3D) 자속 경로를 가진 전기 모터의 경우 이러한 상황이 자주 발생합니다. 이러한 경우 일반적인 레벨 라미네이션 시트를 효율적으로 사용하기가 어렵고 심지어 힘들기도 합니다.

그럼에도 불구하고 히스테리시스 손실이 코어 손실 문제의 더 큰 요소인 경우(저속 모터에서 발생할 수 있음), 그 이후에도 철 손실을 줄이기 위해 최첨단 전기 강철 라미네이션이 훨씬 더 나은 옵션일 수 있습니다. 한 가지 더 염두에 두어야 할 점은 SMC의 밀도가 일반적으로 강철 라미네이션보다 낮다는 것입니다. 이는 모터를 신중하게 개발하지 않는 한 자기 성능(크기 대비 처리할 수 있는 자기력의 양)이 약간 감소한다는 것을 의미할 수 있습니다. 따라서 일반적으로 적층 강철 고정자 코어를 SMC 코어로 교체하고 마법을 기대할 수는 없습니다. 선택한 특정 자성 재료에 맞게 고정자와 회 전자를 포함한 전체 모터 레이아웃을 최대화해야 합니다. 아래에서 유한 요소 분석(FEA)의 시뮬레이션 결과를 활용하는 것이 중요합니다.

인덕션 모터 코어에 SMC를 사용하면 단점이 있나요?

예, 다른 모든 제품과 마찬가지로 인덕션 모터 코어에 연자성 복합재(SMC)를 사용하려는 경우 주의해야 할 몇 가지 사항이 있습니다. 한 가지 중요한 요소는 SMC 제품은 일반적으로 프리미엄 전기 강철에 비해 자속 밀도의 포화 값이 낮다는 점입니다. 이는 "완전"해지기 전에 동일한 양의 공간에 상당히 많은 자기 "전력"을 전달할 수 없음을 의미합니다. 스타일과 최적화에서 이를 고려하지 않으면 모터가 좀 더 커야 하거나 성능이 떨어질 수 있습니다. SMC의 기계적 인성은 또한 일부 모터 애플리케이션에서 문제가 될 수 있는 강한 강철보다 낮을 수 있습니다.

추가로 고려해야 할 사항은 비용과 부품 제작 방식입니다. SMC는 고정자 코어에 매우 트렌디하고 복잡한 3D 형상을 구현할 수 있어 축자속 영구 자석(AFPM) 기계나 토크 리플 최소화를 목표로 하는 설계와 같은 특정 모터 토폴로지에 큰 장점이 될 수 있지만, SMC 제품 자체와 SMC 코어를 만드는 제조 절차는 일부 종류의 전기 모터 또는 제조 수량의 경우 훨씬 더 비싸질 수 있습니다. 또한 밀도가 낮다는 것은 동일한 자기 작업을 수행하기 위해 강철 고정자의 철이 훨씬 적은 만큼 무게 또는 부피 기준으로 조금 더 많은 SMC 재료가 필요할 수 있음을 의미합니다. 전체 레이아웃과 제조 절차를 고려해야 합니다. 이러한 새로운 재료와 제조 전략의 신뢰성은 SMC의 효율성에 대한 지속적인 연구 분야이기도 합니다.

그렇다면 모터 레이아웃에 SMC를 언제 고려해야 할까요?

첫째, 고효율, 고속 전기 모터를 제작하는 경우 SMC는 매우 강력한 도전자입니다. 고주파에서 와전류 손실을 엄청나게 줄일 수 있다는 점은 엄청난 이점입니다. 이는 모터 성능을 향상시키는 데 도움이 됩니다. 둘째, 모터 스타일에 까다로운 3D 자속 경로가 필요한 경우, 즉 평평한 강철 적층으로 만들기가 정말 어렵거나 번거로운 모양이라면 SMC를 적용하는 것이 매우 좋은 아이디어입니다. 이는 일부 유형의 축 자속 영구 자석(AFPM) 기계, 자속 전환 영구 자석(FSPM) 기계 설계 또는 요크리스 및 분수 슬롯 모터와 같은 특수 개념에서 흔히 볼 수 있는 경우입니다. SMC 모터는 이러한 고유한 토폴로지 옵션을 허용할 수 있습니다.

또한, 자기 부품의 적층 생산과 같은 혁신적인 제조를 발견하고 있다면 SMC와 같은 복합 재료가 그 미래의 큰 부분을 차지할 수 있습니다. 영구 자석 동기 모터 레이아웃이나 영구 자석 브러시리스 DC 모터의 경우, 극도로 낮은 코깅 토크 또는 부드러운 출력 토크(토크 리플 감소) 등을 진정으로 극대화하고자 할 때 SMC는 엔지니어에게 고정자에 대한 완전히 새로운 설계의 자유를 제공합니다. 유한 요소 해석(FEA)과 같은 강력한 컴퓨터 시스템 장치를 지속적으로 사용하여 특정 레이아웃 파라미터를 기반으로 상대 평가를 실행합니다. 전체 장치 성능, DUC 열 분석, 역률, 모터의 효율성에 미치는 영향 등을 고려해야 합니다. 이는 다양한 애플리케이션, 특히 높은 토크 밀도와 신뢰성이 중요한 전기 트럭을 위한 최적의 옵션을 찾는 것과 관련이 있습니다. 이 연구는 이러한 선택을 돕는 것을 목표로 합니다. 연구 결과는 신중한 설계와 최적화가 중요하다는 것을 보여줍니다.